用顯微鏡來展開奈米世界中的地圖

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當提到顯微鏡,相信大部分的人腦中浮現的都是「光學顯微鏡」,除了光學之外,還有其他不同的顯微鏡,運用著其他的原理來探索微小世界。原子力顯微鏡是一種以「凡得瓦力」為基礎的顯微技術,能夠探索奈米級的表面結構;若換上具有磁性的探針,就搖身一變成磁力顯微鏡,以「磁力」作為基礎,能夠勾勒出材料表面的磁性分布。這兩套顯微鏡為科學家在奈米世界中「打開地圖」,不需打海撈針,能夠直接鎖定目標!

撰文|黃鼎鈞

一般人常使用「公分」來描述自己的身高,因為這是我們熟悉的度量單位,但這並無法限制人類的想像力。從古至今,人們一直渴望探索遙遠的星系,同時對微小的事物也表現出濃厚的興趣。正是這種想像力驅使著人們不斷發展望遠鏡和顯微鏡,這兩者也是人們在童年時最早接觸的科學儀器。這些儀器利用「光學原理」,讓人們能夠觀察到遙遠的天體和微小的微觀世界。先前,我們曾分享基於「電子原理」運作的顯微鏡(探索微觀奇境:從光學到電子,顯微鏡的進化之旅),它可以幫助我們觀察更微小的事物。而這次,我們將繼續分享基於不同原理製造的顯微鏡,這些顯微鏡可以讓科學家觀察到奈米級的物質表面結構,深入瞭解微觀世界的奧祕。

圖1:配備有奈米級探針的原子力顯微鏡示意圖|來源:Leonardo AI、Microsoft Bing AI

原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscopy, AFM) 是一種基於凡得瓦力 (Van Der Waals Force) 作用的微觀鏡,可展現物質的「表面特性」。凡得瓦力是原子或分子間的一種吸引力,屬於弱作用力,存在於所有原子之間。原子力顯微鏡搭載極細的探針(直徑約20 nm~100 nm),透過這探針靠近物質表面,物質表面的原子與探針不同的距離而產生大小不一的凡得瓦力交互作用,探針因此產生彎曲或震動。藉由量測探針的振幅,再以電腦運算,就能描繪出物質表面的結構。打個比方,對於麻將的高手,不須透過眼睛,因著麻將表面的凹凸,藉由手的觸覺感受就能猜出手中的棋子,就是大家口中的自摸。原子力顯微鏡運作原理相似,當探針接觸到凸出的表面時,凡得瓦力較強,反之則較弱,進而描繪出物質表面的特性。不像是麻將的自摸,原子力顯微鏡的探針不一定要與材料表面接觸,它分為「接觸式」與「非接觸式」的測量模式。接觸式擁有較高的解析度,但可能對樣品造成傷害;反之,非接觸式則能夠避免樣品損傷的問題。這項技術對於半導體產業的鍍膜製程非常有幫助,可檢測奈米級的膜厚,並觀察奈米尺度下的薄膜品質。

圖2:原子力顯微鏡與磁力顯微鏡量測示意圖。原子力顯微鏡能偵測出物質表面的高低起伏,磁力顯微鏡則受材料中磁疇不同的磁性方向影響|來源:作者提供

原子力顯微鏡在西元1986年被發展而成,時隔一年,科學家又進一步改良,將顯微鏡的探針改為鐵磁性材料,成為了磁力顯微鏡 (Magnetic Force Microscopy, MFM),其量測基礎則改以「磁交互作用」來瞭解物質的磁性結構。對鐵磁性材料來說,若沒有外加磁場時,整體來說並未達到飽和磁矩。飽和磁矩指的是所有的電子自旋朝向同一方向,但就局部來看,是一塊又一塊的飽和磁矩所形成的磁疇 (Magnetic domain),也就是說,同一磁疇內的自旋皆同向。當具有磁性的探針接近不同磁疇的時候,因為自旋方向的不同,會對探針造成不同的吸引力或排斥力,進而造成對探針的彎曲或震動,再透過電腦運算,就能看出材料的磁性分布。但是若探針太靠近樣品時,凡得瓦力就容易與磁力的影響互相干擾,所以通常磁力顯微鏡的探針會採取較高的高度 (> 10nm),在解析度與凡得瓦力干擾中取得平衡。磁力顯微鏡是目前唯一的磁影像技術,可以使科學家觀察到磁疇的分布,且能得知當中的磁矩與探針磁性方向的差異(磁相位)。

圖3:磁疇示意圖,鐵磁性材料的微觀結構呈現磁疇,每個磁疇擁有自己的飽和磁距,然而,整體而言,這些磁疇的磁距方向並不完全一致|來源:Wikimedia Commons

磁力顯微鏡的應用範圍不僅限於材料科學和奈米領域,它還在許多其他領域發揮著重要的作用。在地質學和礦物學中,磁力顯微鏡被用來研究礦物和岩石的磁性特性,這有助於科學家們更好地理解地球的磁場,以及地球內部的磁性結構。通過對磁性礦物的研究,科學家們能夠追蹤地磁極的位置,並研究地球的地磁歷史。此外,磁力顯微鏡還能被應用於生命科學中,特別是在細胞研究領域,它可以用來觀察細胞中的微小磁性顆粒或標記,以追蹤細胞的運動和內部結構。

無論是原子力顯微鏡或磁力顯微鏡,都是科學家在奈米科技上強大的利器,能夠將物質表面結構及磁性分布「視覺化」,幫助科學家能鎖定特殊的區域進行更進一步的研究,而不會像是在大海撈針一樣,這樣的工具彷彿為人們在材料探索上打開了地圖,能在奈米的世界中找到目標、對症下藥,以至於能發展出更優異的奈米科技!

 


參考文獻

  1. Kittel, C., & Fan, H. (1957). Introduction to Solid State Physics. American Journal of Physics25(5), 330. 
  2. Ohnesorge, F., & Binnig, G. (1993). True atomic resolution by atomic force microscopy through repulsive and attractive forces. Science, 260(5113), 1451–1456.
  3. Martin, Y., & Wickramasinghe, H. K. (1987). Magnetic imaging by ‘“force microscopy”’ with 1000 Å resolution. Applied Physics Letters, 50(20), 1455–1457.

 


延伸閱讀:《探索微觀奇境:從光學到電子,顯微鏡的進化之旅》、《【材料科技】即時影像觀測——穿透式電子顯微鏡的應用

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